ANALISIS LOSSES PIPA LURUS BERDIAMETER 40 cm PADA TEROWONGAN ANGIN LAPAN

Analisis Losses Pipa Lurus Berdiameter 40 cm..... (Ahmad Jamaludin Fitroh)

ANALISIS LOSSES PIPA LURUS BERDIAMETER 40 cm PADA TEROWONGAN ANGIN LAPAN Ahmad Jamaludin Fitroh Peneliti Aerodinamika, Kedeputian Teknologi Dirgantara, LAPAN e-mail: [email protected] ABSTRACT One of LAPAN’s programs is design and build the ramjet open tested wind tunnel. The lenght of pipe connecting between wind tunnel and storage tank was designed long enough so it was estimated there is big losses along the pipe. The object of this research is to calculation that losses, specially for the straight part only. The magnitude of the losses was gotten from simulation using software based on CFD theory. This research used two methods, i.e. based on pressure method and based on mass flow rate method. The simulation’s result using based on mass flow rate method gave the higher losses for the straight pipe so that result was chosen as the final result. That result was processed become the losses as a function of mass flow rate. The higher mass flow rate will produce the bigger losses. At mass flow rate of 60 kg/s, the losses is 0.135 %/m and at 100 kg/s the losses is 0.299 %/m. The relation between both parameter is close to linier curve. Key word: Pipe, losses, CFD, wind tunnel ABSTRAK Salah satu program LAPAN adalah membuat terowongan angin uji ramjet terbuka. Pipa penghubung antara terowongan angin tersebut dengan tangki penyimpanan udara direncanakan cukup panjang sehingga diperkirakan terjadi losses yang cukup besar. Tujuan penelitian ini adalah menghitung losses tersebut, khususnya untuk pipa lurusnya saja. Besar losses diperoleh dari simulasi menggunakan salah satu piranti lunak berbasis CFD. Metode yang digunakan adalah based on pressure dan based on mass flow rate. Hasil simulasi menggunakan metode based on mass flow rate memberikan losses pada pipa lurus yang lebih besar sehingga dipilih sebagai hasil akhir. Hasil simulasi diolah menjadi hubungan antara laju aliran massa dan losses. Semakin besar laju aliran massa, maka losses nya juga semakin besar. Pada laju aliran massa 60 kg/det, losses nya sebesar 0,135 %/m dan pada laju aliran massa 100 kg/det losses nya 0,299 %/m. Hubungan antara kedua parameter tersebut cenderung linier. Kata kunci: Pipa, Kerugian, CFD, Terowongan angin 1

PENDAHULUAN

Salah satu program LAPAN adalah membuat terowongan angin uji ramjet terbuka. Jarak antara terowongan angin tersebut dengan tangki penyimpanan udara direncanakan cukup jauh sehingga diperkirakan terjadi losses yang cukup besar.

Tujuan kegiatan ini adalah menghitung losses pipa penghubung antara tangki penyimpanan udara dengan terowongan angin uji ramjet terbuka. Data losses tersebut nantinya dapat digunakan untuk kondisi operasional terowongan angin tersebut.

53

Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 9 No. 1 Juni 2011 :53-60

Pipa penghubung antara tangki penyimpanan udara dan terowongan angin terdiri dua bagian, yaitu bagian pipa lurus dan bagian lekukan. Dalam penelitian ini pipa lurus saja yang dianalisis. Pipa tersebut mempunyai diameter dalam 40 cm [Ahmad Jamaludin Fitroh, 2008]. Permukaan bagian dalam pipa diasumsikan cukup halus. 2

METODE

Distribusi losses di sepanjang pipa diperoleh dari simulasi menggunakan salah satu piranti lunak berbasis CFD. Simulasi dilakukan menggunakan dua metode, yaitu based on pressure dan based on mass flow rate. Di antara kedua metode tersebut nantinya diambil yang memberikan losses paling besar. Penampang pipa yang akan digunakan berbentuk lingkaran sempurna sehingga simulasi cukup dilakukan secara axisymmetri [Manual FLUENT]. Semua parameter aliran dianggap bersifat konstan. Model turbulensi yang digunakan adalah k-epsilon standard. Temperatur stagnasi diasumsikan sebesar 300 K [Ahmad Jamaludin Fitroh, 2008]. Simulasi dilakukan terhadap panjang pipa yang berbeda, yaitu 5, 10, 20, dan 50 m. Masing – masing panjang pipa tersebut selanjutnya dihitung losses nya. Kemudain losses tersebut dibagi dengan panjang pipa masing– masing sehingga diperoleh losses per satuan panjang. 2.1 Metode Based On Pressure Pangkal pipa diset sebagai pressure inlet sedangkan ujungnya diset sebagai pressure outlet. Tekanan pada pressure inlet dibuat konstan sedangkan pada pressure outlet dibuat bervariasi untuk mendapatkan variasi kecepatan aliran dan laju aliran massa [Manual FLUENT; Anderson, J.D. JR., 1984 & 1991; Saad, Michel A., 1985; Anderson, J. D., 2003].

54

Dalam perhitungan, yang dimaksud pressure inlet adalah tekanan total masuk pipa. Hubungan antara tekanan total (p0), tekanan statik (p), dan kecepatan aliran (M) pada kondisi kompresibel disajikan dalam persamaan (2-1). Notasi γ menyatakan spesifik panas aliran. 

   1 2   1 p 0  p 1  M  2  

(2-1)

Pressure outlet adalah tekanan statik aliran keluar pipa. Selama proses iterasi, tekanan statik aliran keluar pipa dibuat konstan sedangkan tekanan total dan kecepatan alirannya merupakan hasil perhitungan. Dengan demikian dalam metode ini yang dibuat konstan adalah tekanan total aliran masuk dan tekanan statik aliran keluar pipa. Parameter lainnya merupakan hasil perhitungan. 2.2 Metode Based On Mass Flow Rate Pangkal pipa diset sebagai mass flow inlet sedangkan ujungnya tetap diset sebagai pressure outlet. Laju massa pada mass flow inlet divariasikan, sedangkan tekanan pada pressure outlet dibuat konstan. Tekanan total aliran nantinya akan menyesuaikan [Mac Cormack, R.W., 1995]. Mass flow inlet adalah laju massa aliran masuk pipa. Definisi laju aliran massa disajikan dalam persamaan (2-2).  , ρ, A, dan v masing-masing Notasi m menyatakan laju aliran massa, kerapatan udara, luas penampang pipa, dan kecepatan aliran.

   Av m

(2-2)

Dalam metode ini, yang dibuat konstan adalah laju massa aliran masuk pipa. Berdasarkan hukum kekekalan massa, maka laju aliran keluar pipa juga konstan. Parameter lainnya merupakan hasil perhitungan.


3

GEOMETRI DAN DATA

d: L = 50 m

Pipa penghubung antara tangki penyimpanan udara dan terowongan angin terdiri dari dua bagian, yaitu bagian pipa lurus dan bagian lekukan. Pipa lurusnya berjumlah beberapa buah dengan panjang yang berbeda. Diameter dalam pipa lurus tersebut konstan sebesar 40 cm. 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Based on Pressure Tekanan udara di tangki penyimpanan atau di pangkal pipa diset sebesar 10 bar. Hasil simulasi disajikan  , p02 dalam Tabel 4-1. Notasi p2, M2, m masing –masing menyatakan tekanan statik, bilangan Mach, laju massa, dan tekanan total aliran di ujung pipa. Notasi L menyatakan panjang pipa. Tabel 4-1a: L = 5 m p2 (bar)

M2

8,0 9,0 9,2 9,5 9,8 9,9

0,54 0,37 0,33 0,25 0,16 0,11

p2 (bar)

M2

8,0 9,0 9,5 9,8 9,9

0,52 0,35 0,24 0,15 0,11

m

p02 (kg/det) (bar) 223 168 152 122 78 55

9,78 9,89 9,91 9,94 9,98 9,99

losses (%) (%/m) 2,2 1,2 0,9 0,6 0,3 0,1

0,44 0,23 0,19 0,12 0,05 0,03

b: L = 10 m p02 m (kg/det) (bar) 212 159 115 73 52

9,62 9,80 9,90 9,96 9,98

losses (%) (%/m) 3,9 2,0 1,0 0,4 0,2

0,39 0,20 0,10 0,04 0,02

c: L = 20 m p2 (bar)

M2

8,0 9,0 9,5 9,8 9,9

0,47 0,32 0,22 0,14 0,09

(kg/det)

p02 (bar)

losses (%) (%/m)

194 145 105 66 47

9,35 9,66 9,83 9,93 9,96

6,5 3,4 1,8 0,7 0,4

m

0,33 0,17 0,09 0,04 0,02

P2 (bar)

M2

8,0 9,0 9,4 9,7 9,8

0,39 0,26 0,19 0,13 0,11

m (kg/det) 159 117 91 65 53

p02 (bar)

losses (%) (%/m)

8,90 11,0 0,22 9,43 5,7 0,11 9,65 3,5 0,07 9,82 1,8 0,04 9,88 1,2 0,02

Hasil dalam tabel di atas menunjukkan bahwa semakin besar setting tekanan statik di exit, maka semakin kecil kecepatan alirannya karena udara dalam pipa menjadi semakin sulit mengalir. Untuk tekanan statik exit yang sama, semakin panjang pipanya maka kecepatan aliran udara sedikit semakin kecil karena losses akibat gesekan yang semakin banyak. Untuk panjang pipa tertentu, semakin besar p2, maka harga p02 yang dihasilkan juga semakin besar karena tekanan statik merupakan komponen dari tekanan total. Untuk setting p2 yang sama, semakin panjang pipa maka p02 yang dihasilkan menjadi semakin kecil karena pipa yang lebih panjang menyebabkan losses yang lebih besar. Untuk panjang pipa tertentu,  nya menjadi semakin besar p2 maka m semakin kecil karena udara dalam pipa menjadi lebih sulit mengalir meskipun kerapatan udaranya meningkat. Untuk setting p2 yang sama, semakin panjang  yang dihasilkan menjadi pipa maka m lebih kecil karena p02 yang dihasilkan juga lebih kecil sehingga kecepatan aliran udaranya menjadi lebih kecil. Untuk panjang pipa tertentu, semakin besar p2 menyebabkan lossesnya menjadi semakin kecil karena semakin besar p2 menyebabkan kecepatan aliran semakin kecil sehingga losses akibat gesekan menjadi lebih kecil. Untuk setting p2 yang sama, semakin panjang pipa menghasilkan losses per satuan panjang yang semakin kecil karena distribusi losses di sepanjang pipa tidak seragam. Bagian pipa yang menyebabkan losses terbesar

55


dalam simulasi CFD ini adalah bagian mendekati exit. Hasil – hasil tersebut selanjutnya diinterpolasi untuk mendapatkan distribusi laju aliran massa tertentu. Dalam hal ini dipilih 100, 90, 80, 70, dan 60 kg/det. Hasilnya disajikan dalam Tabel 4-2. Tabel 4-2a:L = 5 m (kg/det)

losses (% / m)

100 90 80 70 60

0,086 0,070 0,054 0,045 0,034

m

Hasil dalam tabel di atas  menunjukkan bahwa semakin kecil m maka losses pada pipa lurus juga semakin kecil. Hal tersebut dikarenakan  maka semakin kecil semakin kecil m pula tekanan, kerapatan, dan kecepatan aliran sehingga secara tidak langsung menghasilkan koefisien gesek yang lebih kecil. Semakin kecil koefisien geseknya maka semakin kecil pula gaya gesek aliran terhadap permukaan sehingga losses nya juga menjadi lebih kecil. Selanjutnya hasil di atas disusun ulang dan dihitung rata – ratanya. Hasil tersebut disajikan dalam Tabel 4-3. Tabel 4-3: NILAI RATA - RATA

m b: L = 10 m

(kg/det)

losses (%/m)

Rata– rata

(kg/det)

losses (% / m)

100

0,078 0,064 0,050 0,042 0,032

0,086 0,078 0,079 0,082

0,081

100 90 80 70 60

5 10 20 50

90

5 10 20 50

0,070 0,064 0,066 0,065

0,066

80

5 10 20 50

0,054 0,050 0,053 0,057

0,053

70

5 10 20 50

0,045 0,042 0,040 0,044

0,043

60

5 10 20 50

0,034 0,032 0,031 0,034

0,033

m

c: L = 20 m (kg/det)

losses (% / m)

100 90 80 70 60

0,079 0,066 0,053 0,040 0,031

m

d: L = 50 m (kg/det)

losses (% / m)

100 90 80 70 60

0,082 0,065 0,057 0,044 0,034

m

56

L (m)


Selanjutnya hasil rata – rata di atas disusun ulang untuk memperoleh hubungan antara laju aliran massa dan losses per satuan panjang. Hubungan tersebut disajikan dalam Tabel 4-4 dan Gambar 4-1. Tabel 4-4: HASIL AKHIR METODE BASED ON PRESSURE

m (kg/det)

losses (%/m)

Tabel 4-5a: L = 5 m

m (kg/det) 100 90 80 70 60

m

0,09

0,081 0,066 0,053 0,043 0,033

100 90 80 70 60

Based On Pressure

m

losses (% / m)

0,06

(kg/det) 100 90 80 70 60

0,05 0,04 (kg/det)

0,03 0,02 50

60

70

80

90

losses (% / m) 0.116 0.098 0.079 0.062 0.047

M2

p02 (bar)

losses (% / m)

0,486 0,439 0,394 0,346 0,298

4,714 4,576 4,460 4,351 4,258

0,391 0,332 0,281 0,225 0,173

c: L = 20 m

0,08 0,07

0,248 0,223 0,199 0,174 0,149

p02 (bar) 8,353 8,286 8,226 8,173 8,127

b: L = 10 m (kg/det)

100 90 80 70 60

M2

100

M2

p02 (bar)

losses (% / m)

0,488 0,441 0,393 0,345 0,297

4,717 4,579 4,456 4,348 4,255

0,379 0,326 0,273 0,221 0,170

110

Gambar 4-1: Hasil akhir metode based on pressure Gambar 4-1 menyajikan hubungan antara laju aliran massa dengan losses persatuan panjang menggunakan metode based on pressure. Dari kurva tersebut dapat dilihat bahwa pengoperasian menggunakan laju aliran massa yang lebih besar menyebabkan losses yang semakin besar pula. 4.2 Based on Mass Flow Rate Hasil simulasi menggunakan metode based on mass flow rate disajikan dalam Tabel 4-5. Dalam tabel tersebut hanya parameter laju aliran massa yang dijadikan masukan atau referensi perhitungan. Parameter lainnya merupakan hasil simulasi [MacCormack, R.W., 1995; Hirsch, C., 1990].

d: L = 50 m

m (kg/det) 100 90 80 70 60

M2

p02 (bar)

losses (% / m)

0,489 0,441 0,394 0,346 0,297

4,720 4,580 4,458 4,350 4,256

0,323 0,284 0,243 0,202 0,160

Hasil dalam Tabel 4-5 menun , maka jukkan bahwa semakin besar m semakin besar pula M2 karena kecepatan aliran merupakan komponen dari laju aliran massa seperti pada persamaan (2-2). Dari persamaan tersebut juga dapat dilihat bahwa semakin  maka semakin besar pula ρ. besar m Kenaikan kerapatan udara akan diikuti dengan kenaikan tekanan statiknya sesuai dengan persamaan (4-1). Notasi p,

57


R, dan T masing–masing menyatakan tekanan, properti udara, dan temperatur. Berdasarkan persamaan (2-1), maka kenaikan p akan diikuti dengan kenaikan p0. Dengan demikian kenaikan m secara tidak langsung menyebabkan kenaikan p02. Dengan tekanan total inlet, p01 yang sama, maka semakin besar p02 memberikan arti bahwa semakin kecil losses yang dihasilkan.  yang sama, semakin panjang Untuk m pipa lurusnya maka semakin kecil losses per satuan panjangnya. Hal tersebut dikarenakan distribusi losses tidak seragam di sepanjang pipa. Bagian pipa yang menyebabkan losses terbesar adalah bagian mendekati exit. Selanjutnya hasil di atas disusun ulang dan dihitung rata – ratanya. Hasil tersebut disajikan dalam Tabel 4-6. Tabel 4-6: NILAI RATA-RATA

m (kg/det)

L (m)

losses (%/m)

Rata– rata

5 10 20 50

0,116 0,391 0,379 0,323

0,302

Hasil rata – rata pada Tabel 4-6 disusun ulang untuk memperoleh hubungan antara laju aliran massa dan losses per satuan panjang. Hubungan tersebut disajikan dalam Tabel 4-7 dan Gambar 4-2. Tabel 4-7: HASIL AKHIR METODE BASED ON MASS FLOW

m (kg/det)

losses (%/m)

100 90 80 70 60

0,299 0,258 0,217 0,176 0,135

Based On Mass Flow Rate

0,35 0,30

losses (%/m)

0,25 0,20 0,15

100

90

58

0,05 50

5 10 20 50

0,098 0,332 0,326 0,284

0,260

80

5 10 20 50

0,079 0,281 0,273 0,243

0,219

70

5 10 20 50

0,062 0,225 0,221 0,202

0,178

5 10 20 50

0,047 0,173 0,170 0,160

0,137

60

laju massa (kg/det)

0,10

60

70

80

90

100

110

Gambar 4-2 : Hasil akhir metode based on mass flow Pola hubungan antara laju aliran massa dan losses per satuan panjang dari metode based on mass flow rate pada Gambar 4-2 serupa dengan hasil yang diperoleh menggunakan metode sebelumnya pada Gambar 4-1. Perbedaannya terletak pada besar losses. Metode ini memberikan losses yang lebih besar daripada metode sebelumnya. 4.3 Analisis Hasil Hasil losses dari kedua metode yang digunakan selanjutnya dibandingkan. Untuk setiap laju aliran massa yang sama, metode based on mass flow rate menghasilkan losses yang lebih besar seperti pada Tabel 4-8 dan Gambar 4-3.


Tabel 4-8: PERBANDINGAN HASIL

m (kg/det) 100 90 80 70 60

DAFTAR RUJUKAN

losses (%/m) based on based on pressure mass flow 0,081 0,066 0,053 0,043 0,033

0,299 0,258 0,217 0,176 0,135

Losses Per Satuan Panjang

0,35 0,30 0,25

(%/m)

0,20 0,15 0,10 0,05

(kg/det)

0,00 50

60

70

based on pressure

80

90

100

110

based on mass flow

Gambar 4-3 : Perbandingan hasil Tabel 4-8 dan Gambar 4-3 menunjukkan bahwa metode based on mass flow rate memberikan losses per satuan panjang yang lebih besar. Untuk mengantisipasi penyebab losses yang tidak terdeteksi, maka dalam pengerjaan ini dipilih hasil dari metode yang memberikan losses yang lebih besar, yaitu hasil simulasi menggunakan metode based on mass flow rate. Dengan kata lain hasil akhir dari pengerjaan ini terdapat dalam Tabel 4-7 dan Gambar 4-2. 5

KESIMPULAN

Telah diperoleh hubungan antara laju aliran massa dan losses pada pipa lurus berdiameter 40 cm. Semakin besar laju aliran massa, maka losses nya juga semakin besar. Pada laju aliran massa 60 kg/det, losses nya sebesar 0,135 %/m dan pada laju aliran massa 100 kg/det losses nya 0,299 %/m. Hubungan antara kedua parameter tersebut cenderung linier.

Ahmad Jamaludin Fitroh, 2008. Desain Geometri dan Aerodinamika Terowongan Angin Ramjet Uji Terbuka, Laporan Kerja Akhir, LAPAN. Anderson, J.D. JR., 1984 & 1991. Fundamentals of Aerodynamics, Second Edition, Mc. GrawHill, Inc. Anderson, J.D., 1995. Computational Fluid Dynamics ; The Basic with Application, McGraw-Hill. Anderson, J.D., 2003. Modern Compressible Flow with Historical Prospective, Second Edition, New York, McGraw-Hill. Hirsch, C., 1990. Numerical Computation of Internal and External Flows, Vol. 2, John Wiley & Sons. Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., 1993. Computational Fluid Dynamics for Engineers, Vol. II, Engineering Education Systems, Wichita, Kansas, USA. Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., 1993. Computational Fluid Dynamics for Engineers, Vol. I, Engineering Education Systems, Wichita, Kansas, USA. MacCormack, R.W., 1995. Numerical Computation of Compressible Viscous Flow, AA214 Course Notes, Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford University, Stanford, CA. Manual FLUENT Saad, Michel A., 1985. Compressible Fluid Flow, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, USA. Thompson, J.F., Warsi, Z.U.A., and Mastine, W.C., 1985. Numerical Grid Generation ; Foundations and Applications, Elsevier Science Publishing Co., Inc. White, F.M., 1991. Viscous Fluid Flow, Second Edition, McGraw-Hill, New York.

59


LAMPIRAN Bentuk Mesh

L=5m Distribusi Kecepatan (Mach)

 = 60 kg/det L = 5 m, m Plot Kecepatan di Sumbu (Mach)

 = 60 kg/det L = 5 m, m

 = 60 kg/det L = 5 m, m

 = 100 kg/det L = 5 m, m Distribusi Tekanan Total (Pa)

 = 100 kg/det L = 5 m, m

 = 60 kg/det L = 5 m, m

60

ANALISIS LOSSES PIPA LURUS BERDIAMETER 40 cm PADA TEROWONGAN ANGIN LAPAN

Recommend Documents